KR20230063526A - 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치에 관한 것으로, 특히 염도차이에 의한 전력 발생 원리를 마이크로 플루이딕 칩 상에 도입하여 전력 공급과 센서 역할을 동시에 수행할 수 있는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 마이크로 플루이딕 칩 상에 제작되어 염도차에 의한 전력을 발생시키는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치에 있어서, 양전하를 통과시키며 막전압을 발생시키는 양이온 교환막(CEM, Cation Exchange Mebrane); 음전하를 통과시키며 막전압을 발생시키는 음이온 교환막(AEM, Anion Exchange Membrane); 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 배치되어 일측에서 타측으로 고농도 염수를 통과시키는 고농도 챔버; 및 상기 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 배치되어 상기 타측에서 상기 일측으로 저농도 염수를 통과시키는 저농도 챔버를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치를 제공한다.
Description
본 발명은, 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치에 관한 것으로, 특히 염도차이에 의한 전력 발생 원리를 마이크로 플루이딕 칩 상에 도입하여 전력 공급과 센서 역할을 동시에 수행할 수 있는 장치에 관한 것이다.
역전기투석(Reverse Electrodialysis, RED)는 전기를 이용해 용액성의 이온을 제거하는 전기 투석의 원리를 역으로 이용하여 전기를 생산하는 기술로, 구체적으로 양이온 교환막과 음이온 교환막을 번갈아가며 배치시킨 셀스택에 고염수와 저염수가 교대로 들어감으로써 이온의 흐름을 만들어 전기에너지를 생산하는 장치이다.
이러한 기술을 이용하는 역전기투석 에너지 생산 장치는 구체적으로 서로 다른 두 용액이 섞이면서 발생하는 자유에너지를 전기에너지의 형태로 전환하는 장치이다. 양이온 교환막과 음이온 교환막이 번갈아가며 쌓여있는 전해셀에 고염수와 저염수가 들어감으로써 이온의 흐름을 만들어 전기에너지를 생산하게 된다. 역전기투석 에너지는 대량 에너지 발전을 중심으로 연구되어 왔으나, 최근에는 이를 소형화하는 연구 역시 이루어지고 있다.
이와 관련, 종래 기술 중 하나인 "역전기투석을 이용한 이온토포레시스 장치 및 그를 사용하여 약물을 전달하는 방법 (국제 특허 출원: PCT/KR2015/010063)" 등은 소규모 전력원으로써 역전기투석 기술을 사용하였다.
다만, 종래 기술의 역전기투석장치의 경우 지속적으로 전기에너지를 얻기 위해서는 고염수와 저염수의 농도차를 유지시켜야 하는데, 저염수의 농도를 저농도로 유지할 수 없기 때문에 최대개방전압이 시간에 따라 급속히 떨어진다는 단점이 있고, 고염수와 저염수를 지속적으로 공급하기 위한 펌프가 필요하기 때문에 장치의 소형화가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 교대로 배치된 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 고농도와 저농도의 염수를 한 칸씩 지나가게 하여 각 막마다 전압을 발생하게 하는 역전기 투석장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 마이크로 플루이딕 칩 상에 제작되어 염도차에 의한 전력을 발생시키는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치에 있어서, 양전하를 통과시키며 막전압을 발생시키는 양이온 교환막(CEM, Cation Exchange Membrane); 음전하를 통과시키며 막전압을 발생시키는 음이온 교환막(AEM, Anion Exchange Membrane); 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 배치되어 일측에서 타측으로 고농도 염수를 통과시키는 고농도 챔버; 및 상기 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 배치되어 상기 타측에서 상기 일측으로 저농도 염수를 통과시키는 저농도 챔버를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치를 제공한다.
실시 예에 따라 양이온 교환막, 고농도 챔버, 음이온 교환막 및 저농도 챔버는 순차적으로 배치될 수 있다.
실시 예에 따라 상기 양이온 교환막과 음이온 교환막은, 1가 또는 2가 전하를 가진 고분자 물질로 제작될 수 있다.
실시 예에 따라, 복수의 양이온 교환막과 복수의 음이온 교환막이 설치되며, 상기 복수의 양이온 교환막과 상기 복수의 음이온 교환막이 설치되는 수량의 증감에 따라 상기 막전압의 총량이 증감하는 특징을 포함한다.
실시 예에 따라 복수의 양이온 교환막과 복수의 음이온 교환막이 설치되며, 상기 복수의 양이온 교환막과 상기 복수의 음이온 교환막 사이에 흐르는 상기 고농도 염수와 상기 저농도 염수의 농도비에 따라 상기 막전압의 총량이 증감할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 음이온 교환막 및 상기 복수의 양이온 교환막은 상기 마이크로 플루이딕 칩에 접촉되고, 상기 마이크로 플루이딕 칩의 내부에 전위차가 형성될 수 있다.
실시 예에 따라, 마이크로 칩 센서를 포함한 전기화학적 용도의 칩에 설계하여 동일 칩 상에서 배터리 없이 자체적으로 전력을 공급할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 마이크로 플루이딕 칩 상에서 다른 전기화학 센서나 디바이스와 함께 제작될 수 있어, 별도의 배터리 없이 고염수와 저염수의 공급만으로 전기화학적 회로를 구동시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은 별도의 배터리 없이 고염수와 저염수의 공급만으로 전기화학적 회로를 구동시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은 소형화 전력 장치로 구성되어 휴대용으로 가지고 다닐 수 있는 진단 키트 등에 적용될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 복수의 양이온 교환막과 음이온 교환막의 설치 수량 증감에 따라 막전압 총량의 증감도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 복수의 양이온 교환막과 음이온 교환막의 두께 증가에 따라 전압 발생 시간이 증가하는 모습을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 플루이딕 칩 채널의 깊이를 늘림으로써 최대 전력을 늘리는 모습을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 복수의 양이온 교환막과 음이온 교환막의 설치 수량 증감에 따라 막전압 총량의 증감도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 복수의 양이온 교환막과 음이온 교환막의 두께 증가에 따라 전압 발생 시간이 증가하는 모습을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 플루이딕 칩 채널의 깊이를 늘림으로써 최대 전력을 늘리는 모습을 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 구성을 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 역전기 투석이라는 염도차이에 의한 전력 발생 원리를 마이크로 플루이딕 칩 상에 도입하는 것이다. 역전기 투석은 교대로 배치된 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 고농도와 저농도의 염수가 지나가게 된다. 본 발명에서는 양이온 교환막과 음이온 교환막의 역할을 할 수 있는 전하를 띤 고분자를 마이크로 플루이딕 칩에 제작하여 기존의 역전기 투석 장치를 초소형화 하였다. 이를 통해 소형화 센서 등의 장치와 결합하여 하나의 마이크로 플루이딕 칩이 전력공급과 센서 역할을 동시에 수행할 수 있게 제작하였다. 제작한 마이크로 플루이딕 칩 실험 결과를 통해 전력 발생을 확인하였다.
본 발명은, 양전하를 통과시키며 막전압을 발생시키는 양이온 교환막(CEM, Cation Exchange Mebrane); 음전하를 통과시키며 막전압을 발생시키는 음이온 교환막(AEM, Anion Exchange Membrane); 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 배치되어 일측에서 타측으로 고농도 염수를 통과시키는 고농도 챔버; 및 상기 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 배치되어 상기 타측에서 상기 일측으로 저농도 염수를 통과시키는 저농도 챔버를 포함할 수 있다.
여기서 상기 양이온 교환막, 상기 고농도 챔버, 상기 음이온 교환막 및 상기 저농도 챔버는 순차적으로 배치될 수 있고, 복수로 설치될 수 있다.
본 발명의 구성은 다음 그림과 같이 마이크로 플루이딕 칩 내부의 음이온 교환막(Anion exchange membrane; AEM)과 양이온 교환막(Cation exchange membrane; CEM) 그리고 이들 사이를 교대로 통과하는 고농도와 저농도의 염수 (NaCl)로 구성된다. 여기서 양이온 교환막과 음이온 교환막은 기존의 역전기투석에서 쓰이는 상용화 막과 달리 전하를 띤 고분자로 제작될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 역전기 투석 장치는, 제작된 마이크로 플루이딕 칩을 여러 개 겹쳐서 쌓고 칩 간에 튜브를 통한 연결을 통해 직렬 또는 병렬 연결이 가능하며, 이 경우 직렬 연결 시에는 전압을 늘릴 수 있고, 병렬 연결 시에는 전류를 늘릴 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 출원에 따른 역전기투석 장치는 양이온 교환막을 포함하고, 양이온 교환막은 음전하를 띠는 물질로 이루어져 양이온을 선택적으로 투과하는 것이 바람직하고, 음이온 교환막은 양전하를 띠는 물질로 이루어져 음이온을 선택적으로 투과하는 것이 바람직하다.
실시 예에 따라, 고농도에서 저농도로 이온이 확산될 때, 양이온 교환막은 양전하를 띠는 Na+ 이온만을, 음이온 교환막은 음전하를 띠는 Cl- 이온만을 통과시키며, 이를 통해 막 전압이 발생하게 된다. 발생하는 전체 전압은 각각의 막 전압을 모두 합한 것으로 막의 개수에 비례하며, 고농도와 저농도 염수의 농도비로 결정될 수 있다.
전술한 양이온 교환막과 음이온 교환막은 교대로 배치되며 실시 예에 따라 제 1 양이온 교환막이 배치되고 이어서 제 1 음이온 교환막이 배치되며, 이어서 제 2 양이온 교환막이 배치되고 이어서 제 2 음이온 교환막이 배치될 수 있다.
특히 양이온 교환막 및 음이온 교환막 각각은 전술한 바와 같이 본 출원의 목적에 따라 하나의 챔버로부터 다른 챔버로의 이온 이동을 수행할 수 있으며, 그 크기, 두께, 교환막 사이의 간격은 특별히 한정되는 것은 아니다.
복수의 음이온 교환막 및 상기 복수의 양이온 교환막은 상기 마이크로 플루이딕 칩에 접촉되고, 마이크로 플루이딕 칩의 내부에 전위차를 형성시킬 수 있다.
또한 마이크로 칩 센서를 포함한 전기화학적 용도의 칩에 설계하여 동일 칩 상에서 배터리 없이 자체적으로 전력을 공급할 수 있다.
특히 본 발명은 마이크로 플루이딕 칩 구조에 역전기 투석의 원리를 수행할 수 있는 장치를 도입한 것으로, 양이온 교환막과 음이온 교환막 대신에 전하를 띤 하이드로젤 고분자를 이용한다.
또한 본 발명은 마이크로 플루이딕 칩 상에서 다른 전기화학 센서나 디바이스와 함께 제작될 수 있어, 별도의 배터리 없이 고염수와 저염수의 공급만으로 전기화학적 회로를 구동시킬 수 있으며, 소형화 진단 센서 및 약물전달 장치 등에 적용가능하다. 또한 혈당 측정 등 전기화학적으로 측정이 가능한 센서에는 모두 적용가능하며, 전기장을 통한 약물전달 장치인 이온토포레시스와 같은 장치에도 적용가능하다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 복수의 양이온 교환막과 음이온 교환막의 설치 수량 증감에 따라 막전압 총량의 증감도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 실험 예에 따라 막 개수에 따라 발생하는 전압이 비례해서 증가한다. 도 2(a)는 4.4M 농도의 고염수와 4.4mM 농도의 저염수를 마이크로 플루이딕 칩 채널로 위의 그림과 같이 통과시켜 본 장치에서 발생한 전압을 막 개수별로 측정한 것이다.
상기 양이온 교환막과 음이온 교환막은, 1가 또는 2가 전하를 가진 고분자 물질로 제작될 수 있으며, 이 경우 발생하는 전체 전압은 각각의 막 전압을 모두 합한 것으로 막의 개수에 비례하며, 고농도와 저농도 염수의 농도비로 결정될 수 있다.
도 2(b)는 멤브레인 개수 별 전압을 나타낸다. 특히 복수의 양이온 교환막과 복수의 음이온 교환막이 설치되며, 상기 복수의 양이온 교환막과 상기 복수의 음이온 교환막이 설치되는 수량의 증감에 따라 이온의 농도 기울기에 의해 유도되는 최대개방전압은 1가 이온의 경우 하기 수학식 1과 같이 증감할 수 있다.
(여기서, =최대개방전압, N:멤브레인 수, :선택도, R:기체 상수(8.314 J/(mol·K), T: 절대온도(K), z: 이온 전하 절대값 F: 페러데이상수(96,485 C/mol), : 농축 염 용액의 농도(mol/L) : 희석된 염 용액의 농도(mol/L)를 나타냄)
즉, 복수의 양이온 교환막과 복수의 음이온 교환막이 설치되며, 상기 복수의 양이온 교환막과 상기 복수의 음이온 교환막 사이에 흐르는 상기 고농도 염수와 상기 저농도 염수의 농도비에 따라 상기 막전압의 총량이 증감할 수 있다.
양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 만들어진 마이크로 플루이딕 칩 채널에 고농도의 염수와 저농도의 염수를 교대로 넣어주면 각각의 막에서 막전압이 발생하게 된다.
본 발명은 마이크로 플루이딕 칩을 이용하여 제작되는 전기화학 센서에 활용하기에 적합하다. 소형화 전력 장치이기 때문에 특히 휴대용으로 가지고 다닐 수 있는 진단 키트를 제작하기에 알맞다. 저전력으로 구동되는 글루코오즈 센서와 같은 전기화학 센서에 도입할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 복수의 양이온 교환막과 음이온 교환막의 두께 증가에 따라 전압 발생 시간이 증가하는 모습을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 막전압을 발생시키는 복수의 양이온 교환막, 음이온 교환막의 두께를 늘림으로서 선택성이 유지되는 시간을 증가시킬 수 있으며 이러한 선택성이 유지되는 시간의 증가에 따라 전압 발생 시간을 늘릴 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 플루이딕 칩 채널의 깊이를 늘림으로써 최대 전력을 늘리는 모습을 나타낸다.
PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같은 플렉서블한 소재로 제작된 마이크로 플루이딕 칩 내부에 역전기 투석 장치를 만듦으로서 플렉서블한 마이크로 플루이딕 칩 파워를 만들어 웨어러블 디바이스에 활용할 수 있다.
역전기 투석 기반 마이크로 플루이딕 칩을 이용하여 마이크로 플루이딕 칩 채널에 전기장을 형성함으로서 물질의 농축 및 분리에 활용할 수 있으며, 특정 이온에 선택성을 가지는 고분자를 사용해서 역전기 투석 막으로 사용 시 특정 이온에 선택적으로 파워를 발생시키는 마이크로 플루이딕 칩을 만들 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
Claims (9)
- 마이크로 플루이딕 칩 상에 제작되어 염도차에 의한 전력을 발생시키는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치에 있어서,
양전하를 통과시키며 막전압을 발생시키는 양이온 교환막(CEM, Cation Exchange Mebrane);
음전하를 통과시키며 막전압을 발생시키는 음이온 교환막(AEM, Anion Exchange Membrane);
상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 배치되어 일측에서 타측으로 고농도 염수를 통과시키는 고농도 챔버; 및
상기 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 배치되어 상기 타측에서 상기 일측으로 저농도 염수를 통과시키는 저농도 챔버를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양이온 교환막, 상기 고농도 챔버, 상기 음이온 교환막 및 상기 저농도 챔버는 순차적으로 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막의 두께의 가변으로 상기 막전압의 발생 지속 시간을 가변시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로 플루이딕 칩의 내부의 채널에 전기장을 형성하여 상기 채널 내 전하를 갖는 물질의 농축 및 분리에 활용할 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양이온 교환막과 음이온 교환막은,
1가 또는 2가 전하를 가진 고분자 물질로 제작될 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
복수의 양이온 교환막과 복수의 음이온 교환막이 설치되며,
상기 복수의 양이온 교환막과 상기 복수의 음이온 교환막이 설치되는 수량의 증감에 따라 상기 막전압의 총량이 증감하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
복수의 양이온 교환막과 복수의 음이온 교환막이 설치되며,
상기 복수의 양이온 교환막과 상기 복수의 음이온 교환막 사이에 흐르는 상기 고농도 염수와 상기 저농도 염수의 농도비에 따라 상기 막전압의 총량이 증감하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 복수의 음이온 교환막 및 상기 복수의 양이온 교환막은 상기 마이크로 플루이딕 칩에 접촉되고,
상기 마이크로 플루이딕 칩의 내부에 전위차를 형성시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
마이크로 칩 센서를 포함한 전기화학적 용도의 칩에 설계하여 동일 칩 상에서 배터리 없이 자체적으로 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 칩 기반 역전기 투석 장치.
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Cited By (1)
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CN117358061A (zh) * | 2023-10-19 | 2024-01-09 | 信阳师范学院 | 一种快速高效制备单离子基膨润土的装置及方法 |
Citations (1)
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WO2015010063A1 (en) | 2013-07-19 | 2015-01-22 | Hylete, Llc | Garment waist assembly |
-
2021
- 2021-11-02 KR KR1020210148687A patent/KR20230063526A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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WO2015010063A1 (en) | 2013-07-19 | 2015-01-22 | Hylete, Llc | Garment waist assembly |
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CN117358061A (zh) * | 2023-10-19 | 2024-01-09 | 信阳师范学院 | 一种快速高效制备单离子基膨润土的装置及方法 |
CN117358061B (zh) * | 2023-10-19 | 2024-06-07 | 信阳师范学院 | 一种快速高效制备单离子基膨润土的装置及方法 |
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